Панков Л.Н., Асланянц В.Р., Долгов Г.Ф., Евграфов В.В. Основы проектирования электронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

160

Следовательно, коэффициент передачи фильтра:

...ZZ

⋅⋅

⋅

⋅= .

На фильтруемой частоте сопротивление параллельных ветвей

⋅Z

⋅… должно быть минимально, а сопротивление последовательных

ветвей Z

⋅Z

⋅… должно быть максимально.

Т.к. емкостное сопротивление X

обратно пропорционально частоте, а

индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте, чтобы от

высокочастотного фильтра не было электромагнитных помех, его обычно

экранизируют.

Чтобы уменьшить коэффициент передачи помехи фильтром, необхо-

димо выполнять определенные требования к компоновке фильтра.

Пример неудачной компоновки фильтра показан на рис. 10.26. Учиты-

вая, что

⋅

и с ростом частоты падает, а L⋅

X и с увели-

чением частоты растет, то фильтр должен содержать конденсаторы в па-

раллельных ветвях и дроссели (индуктивности) в последовательных вет-

вях.

Рис. 10.27. Неудачная компоновка фильтра

Эта компоновка имеет следующие недостатки исполнения:

Индуктивности трех звеньев фильтра, расположенных рядом, не эк-

ранированы, следовательно, имеют взаимноиндуктивную связь, а значит,

передают помеху за счет взаимоиндуктивной связи.

Конденсаторы фильтра соединяются между собой, а затем на корпу-

се общим проводом, что вызывает падение напряжение помехи на общем

проводе, которое передается на выход фильтра.

∼

, U

ω, U

161

Индуктивности звеньев фильтра соединяются между собой и общим

проводом на конденсатор, что увеличивает сопротивление параллельной

ветви и падение напряжения помехи в ней.

Если общий провод корпуса генератора проходит внутри фильтра, то

на нём будет иметь место наводка напряжения помехи от звеньев фильтра.

Пример рациональной компоновки показан на рис. 10.28., где индук-

тивности соединяются на конденсаторы, а конденсаторы на корпус своими

выводами, без общего провода; индуктивности фильтра экранированы

друг от друга секционирующими перегородками корпуса фильтра

; провод

корпуса не проходит внутри фильтра, а в качестве провода используется

сам корпус фильтра.

Рис. 10.28. Рациональная компоновка фильтра

Количество звеньев и номиналы элементов фильтра зависят от фильт-

руемой частоты и требуемого коэффициента ослабления.

Чем выше частота фильтруемой помехи, тем меньше значение ёмкости

и индуктивности фильтра. Самый простой фильтр может содержать одно

звено, т.е. индуктивность-ёмкость, а то и просто фильтрующий конденса-

тор. Например, в

цепи питания микросхем, цифровых устройств часто ста-

вят конденсатор. Эти конденсаторы необходимо размещать непосредст-

венно около микросхем на плате с тем, чтобы отфильтровать высокочас-

тотные составляющие через источник питания.

Особенности проектирования цепей питания и корпуса ЭС

Цепи питания и цепи корпуса являются общими для источников и при-

ёмников помех на плате, а поэтому, чтобы уменьшить кондуктивную пара-

зитную связь они должны выполняться малого активного и индуктивного

∼

162

сопротивления. Следовательно, эти цепи должны выполняться большой

ширины на плате или же навесными проводами.

Цепи питания и корпуса при ограниченной площади платы можно вы-

полнить навесными медными шинами, с зазором над платой, что позволяет

использовать площадь платы для печатных проводников. Если же цепи

корпуса и питания на печатной плате исполняют большой

ширины, то для

облегчения условий трассировки их обычно располагают по краю платы

двумя параллельными цепями.

Для межъячеечных и межплатных соединений в ЭС может использо-

ваться коммутационная печатная плата с параллельным соединением пе-

чатных проводников по цепям питания и корпуса, как показано на рис.

10.29.

Каждую цепь корпуса на

ячейке и на

коммутационной пе-

чатной плате можно выводить на

отдельный контакт разъема. Если

в ЭС используется навесной про-

водной монтаж межъячеечных

или межблочных соединений, то

цепь корпуса может выполняться

проводом достаточного сечения

при последовательном соедине-

нии цепей корпуса ячеек.

При последовательном соединении имеем небольшое сопротивление.

Соединения между платами могут выполняться последовательно толстым

медным проводом в изоляции. В случае, когда эти цепи исполняются на

печатных платах, печатными проводниками, то уменьшить их результи-

рующее сопротивление можно параллельным использованием нескольких

ветвей. Это позволяет подключаться к питанию, или к корпусу каждым

элементом наикратчайшим путём к ближайшей шине. Каждую такую цепь

можно выводить на свой самостоятельный контакт разъёма

Соединение цепей корпуса на металлический корпус прибора или уст-

ройства выполняют навесным проводом-шиной на соединительный кон-

такт на корпусе.

Соединение медного провода заземления на алюминиевый корпус не-

посредственно не допускается, т.к. медь и алюминий - не приемлемая для

контакта пара. Наблюдается электрохимическая коррозия и разрушение.

Соединение на корпус можно

выполнить через биметаллический лепесток.

Биметаллический лепесток крепится на корпус контактной сваркой.

Биметаллический лепесток исполнен из листового алюминия плакирован-

Рис. 10.29. Коммутационная печат-

ная плата

163

ного медью (АПМ). Лепесток устанавливается алюминиевой стороной на

алюминиевый корпус и паяется к проводам по плакирующему слою меди.

При изготовлении несущей конструкции из мягкого пластичного мате-

риала (магниевые, алюминиевые сплавы) можно сделать соединение с по-

мощью винта самореза с хорошей влагозащитой предлагаемого соедине-

ния.

Винт саморез вворачивается в металлические конструкции и

запаивает-

ся на лепесток. Для влагозащиты всё покрывается лаком, а лучше компа-

ундом.

10.6. Обеспечение электрической прочности в конструкциях ЭС

Электрические поля в конструкциях ЭС могут вызвать пробой воздуш-

ных промежутков. Особенно часто такая опасность возникает в мощной

передающей аппаратуре, которая строится на генераторных лампах, рабо-

тающих на высоких питающих напряжениях (рис. 10.30).

Диапазон частот чрезвычайно широк:

Исследования зависи-

мости разрядного напря-

жения от частоты поля в

воздухе при нормальных

условиях

позволяет раз-

бить весь частотный диа-

пазон на ряд поддиапазо-

нов, в каждом из которых

проявляется свой меха-

низм развития разряда. На

рис.10.30 показан харак-

тер развития разрядного

напряжения в зависимо-

сти от частоты питающего

поля. При изменении частоты от 0 до f

кр1

разрядное напряжение практиче-

ски не зависит от частоты и определяется ударной ионизацией под дейст-

вием электронов, приобретающих дополнительную энергию за счет элек-

трического поля. Интенсивность ионизации в основном определяется энер-

гией ионизации газа и средней длиной свободного пробега электронов в

данном газе.

Чтобы произошел пробой, число электронов, способных ионизировать

частицы

в воздушном промежутке в электрическом поле напряженностью

Е, должно непрерывно возрастать, т.е. процесс образования ионов должен

быть лавинообразным. Единичный электрон, вылетевший с катода, двига-

Рис. 10.30. Зависимость разрядного напря-

жения от частоты

кр3

кр2

кр1

пр

164

ясь в направлении анода, может при столкновении с молекулой (или ато-

мом) вызвать ионизацию, и таким образом появляется ион и второй элек-

трон. При определенных условиях процесс будет нарастать лавинообразно.

При неизменной температуре пробивное напряжение газа в однород-

ном поле является функцией произведения давления P и расстояния S ме-

жду электродами (рис. 10.31).

При

атмосферных давлениях,

заданных условиями эксплуатации

наземной и самолетной (вертолет-

ной) аппаратуры, пробивное на-

пряжение соответствует правой

части ветви. Аппроксимируя пра-

вую ветвь этой зависимости, можно

получить простое выражение для

пробивного напряжения:

пр

= а

· PS + b · PS – формула

закона Пашена. Вводя в нее отно-

сительное давление Р/Р

где Р

= 101,3 кПа – давление при нормальных условиях (при Т = 293 К),

имеем U

пр

= а

· Р/(P

·S) + b

· )/(

SPP ⋅ . Числовые значения а

приведены в табл. 10.2.

Таблица 10.2. Числовые значения а

и b

для различных газов

Значения а

, b

газов

Постоянная

воздух О

Ar He

, кВ/см 24,5 26,0 23,5 5,7 2,01

, кВ/см 6,40 6,35 9,55 2,26 2,53

Приведенная формула позволяет рассчитать зазоры S и оценить элек-

трическую прочность промежутка для различных давлений при эксплуата-

ции.

Можно видеть, что при пониженных атмосферных давлениях самолет-

ной, носимой, автомобильной аппаратуры необходимо рассчитывать элек-

трическую прочность минимальных зазоров между элементами печатного

монтажа или же между элементами находящимися под высокими напря-

жениями.

Герметичные

конструкции ЭС для надежности герметизации иногда

заполняют инертным газом с избыточным давлением. Учитывая, что элек-

Рис. 10.31. Зависимость пробивно-

го напряжения от величины PS

Пасл

КВ

пр

165

трическая прочность инертных газов в несколько раз меньше, чем у возду-

ха, тем более требуется расчет электрической прочности.

Начиная с частоты f

кр1

, разрядное напряжение с ростом частоты падает,

что связано с особенностями образования объемных зарядов. Ионизация в

промежутке возникает при напряжении меньше U

пр

. В диапазоне частот от

0 – f

кр1

ионы, возникающие в некоторый полупериод, в течение этого же

полупериода успевают дойти до электродов. Поэтому в следующий полу-

период процесс начинается при отсутствии объемного заряда. При часто-

тах выше f

кр1

часть ионов уже не успевает дойти до электродов, главную

роль при этом играют положительные ионы, причем число оставшихся ио-

нов от полупериода к полупериоду возрастает, создается значительный

объемный заряд, который и приводит к снижению пробивного напряже-

ния. Первая критическая частота зависит от давления газа между электро-

дами. С увеличением расстояния

эта частота уменьшается. Так обстоят де-

ла до частоты f

. Дальнейшее увеличение частоты почти не приводит к

снижению разрядного напряжения. По-видимому, это связано с тем, что

объемный заряд в промежутке перестает увеличиваться. Наступает дина-

мическое равновесие между скоростью образования новых ионов и диффу-

зией объемного заряда на электроды.

За второй критической частотой f

кр2

происходит новое снижение раз-

рядного напряжения. При этом полупериод оказывается меньше времени

пробега электронами межэлектродного пространства. Часть электронов не

успевает уходить на электроды и, оставаясь в промежутке, продолжает

участвовать в ионизации и разрядное напряжение снижается. С увеличени-

ем частоты увеличивается насыщение объемного заряда и разрядное на-

пряжение падает.

При очень

больших частотах, превышающих f

кр3

возможно возрастание

разрядного напряжения. При этом полупериод настолько мал, что некото-

рые электроны не успевают осуществить ни одного акта ионизации. Чтобы

началась ионизация, необходимо увеличить напряжение, т.е. скорость

движения электрона и уменьшить тем самым среднее время между столк-

новениями.

Кроме рассмотренного разряда, может наблюдаться

коронный (тлею-

щий) разряд на токонесущих частях конструкции. Напряженность, при ко-

торой возникает коронный разряд, можно найти по выражению Пика:

Е = 30,3

δ· ( 1+ 0,298 / (

r⋅

)) .

Это выражение справедливо при r

< 1см,

где r

– радиус изгиба элемента конструкции;

δ – относительная плотность воздуха при произвольном давлении и

температуре.

166

Пробивное напряжение и напряжение возникновения коронного разря-

да, определяемые по приведенным формулам, будут верны только в том

случае, если между токонесущими элементами конструкции нет твердых

диэлектриков.

Влияние диэлектриков на разрядное напряжение.

Введение диэлектриков в воздушный промежуток изменяет условия и

механизм развития разряда. Разрядное напряжение, как правило, снижает-

ся и зависит от формы электрического поля, свойств диэлектрика и со-

стояния его поверхности. На рисунках 10.32 и 10.33 представлены схемы

конструкций с однородным и неоднородным электрическим полем.

В конструкции с неоднородным электрическим полем во всех точках

поверхности диэлектрика тангенциальная составляющая напряженности

, направленная вдоль поверхности диэлектрика, преобладает над нор-

мальной составляющей.

В однородном поле в присутствии диэлектрика разряд всегда развива-

ется вдоль поверхности диэлектрика, а разрядное напряжение снижается

по сравнению с чисто воздушным промежутком. Экспериментально уста-

новлено, что существенную роль в уменьшении разрядного напряжения

играет влага, адсорбированная на поверхности диэлектрика. Материалы,

обладающие

более высокой поверхностной гигроскопичностью (гетинакс,

стеклотекстолит) дают большее снижение разрядного напряжения, чем ма-

териалы с меньшей поверхностной гигроскопичностью (винипласт, кера-

мика глазурованная, парафин). На рис. 10.34 приведены графики, получен-

ные для электрического поля частотой 50 Гц.

Рис. 10.32. Конструкция с одно-

родным полем

Рис. 10.33. Конструкция с неод-

нородным полем

С однородным

элект

ическим полем

С неоднородным

элект

ическим полем

167

Адсорбированная на по-

верхности диэлектрика влага

содержит ионы обоих знаков,

которые в электрическом поле

смещаются, образуя объемные

заряды. В этих условиях поле

в середине промежутка ослаб-

ляется, а вблизи электродов

усиливается. Это снижает раз-

рядное напряжение.

В резко неоднородном

электрическом поле разрядное

напряжение при прочих рав-

ных условиях ниже, чем в

од-

нородном электрическом поле.

Адсорбированная на поверхности влага значительно слабее сказывается на

пробивном напряжении. Это можно объяснить тем, что процессы в адсор-

бированной на поверхности влаге могут лишь незначительно добавочно

увеличить и без того большую неоднородность поля.

Снижение электрической прочности диэлектрика может происходить

за счет старения (электрохимические процессы) и за

счет теплового старе-

ния. Тепловое старение происходит вследствие ускорения химических

процессов в изоляционных материалах.

10.7. Обеспечение стойкости ЭС к ионизирующим излучениям

1. Ионизирующее излучение ядерного взрыва

Огромное количество энергии проявляется на определенных расстоя-

ниях от места взрыва в виде энергии светового (теплового) излучения, на

долю которой приходится при типичном воздушном взрыве около 35%

всей энергии, 50% энергии проявляется в виде энергии ударной волны,

10% - остаточного ядерного излучения и 5% – мгновенного ядерного излу-

чения.

Начальное и остаточное ядерные излучения взаимодействуют с

атмо-

сферой, выбивая электроны из атомов и молекул, превращая их в положи-

тельные ионы. Наличие большого числа электронов и ионов на больших

высотах может привести к существенному ухудшению условий распро-

странения радиоволн: свободные электроны, образованные в результате

ионизации гамма-квантами, могут также взаимодействовать с магнитным

полем земли, генерируя сильные электромагнитные излучения

, способные

Рис. 10.34. Зависимость разрядного на-

пряжения от расстояния

см

керамика

кВ

0 2 4 6 8

воздух

стекло

168

привести к повреждению незащищенных ЭРИ и ЭС в целом на больших

расстояниях от центра взрыва.

К начальным и остаточным излучениям ядерного взрыва относятся:

- нейтроны

- гамма- кванты

- рентгеновские кванты

- заряженные частицы (α и β).

Гамма-кванты, образующиеся в результате деления, синтеза, захвата

нейтронов неупругого рассеяния и радиоактивного распада, распростра-

няются в пространстве со скоростью света, затухая обратно пропорцио-

нально квадрату расстояния. Гамма- излучение, образующееся в цепных

реакциях деления и синтеза, принято называть мгновенным гамма- излуче-

нием; гамма-излучение, образующееся в результате неупругого рассеяния

и захвата нейтронов окружающей средой - захватным, а гамма-излучение

радиоактивных ядер осколков деления – осколочным гамма-излучением.

Защита

от проникновения гамма-квантов через корпус объектов к ЭС с

помощью поглощающих экранов является сложной задачей, так как для

уменьшения уровня мгновенного гамма-излучения в10 раз требуется свин-

цовая защита толщиной примерно 5 см.

В таблице 10.3 приведены значения толщины разных экранов для деся-

тикратного ослабления гамма-квантов.

Таблица 10.3. Толщина экрана десятикратного

ослабления

Гамма-кванты за 10

сек продуктов взрыва

Вторичные гамма-

кванты захвата ней-

тронов

Материал

Плотность

ρ, г/см

Толщина

L, см

ρL

Толщина

L, см

ρL

cталь 7,84 9,3 75 13,3 107,5

бетон 2,3 30 72,5 45 107,5

грунт 1,6 45 75 65 107,5

вода 1 65 65 95 95

дерево 0,55 125 70 175 100

Для приближенной оценки толщина слоя десятикратного ослабления

любого материала можно воспользоваться приближенным соотношением:

ρL=75 г/см

для мгновенных и

ρL=107,5 г/см

для вторичных гамма-квантов.

Нейтроны, освобождающиеся при ядерном взрыве в процессе деления

или синтеза, распространяются в пространстве со скоростью, зависящей от

169

их энергии. Быстрые нейтроны, с энергией W=1 МэВ, имеют скорость око-

ло 1,4 ·10

м/сек, тепловые – 2,2 ·10

м/сек.

По мере удаления от места взрыва имеют место столкновения нейтро-

нов с атомами окружающего вещества и поглощения. Общее количество

нейтронов, приходящееся на единицу площади рассматриваемого объекта

тем меньше, чем дальше объект от центра взрыва. Защита от действия ней-

тронов более сложная проблема, чем защита от гамма-квантов. Сложность

обусловлена тем, что при поглощении нейтронов испускаются гамма-

кванты. Следовательно, защитный экран должен одновременно замедлять

быстрые нейтроны до уровня тепловых, поглощать нейтроны и предот-

вращать дальнейшее распространение гамма-квантов. Это предполагает

сочетание в одном материале свойств водородосодержащих материалов,

обладающих высокой способностью к замедлению нейтронов и тяжелых

материалов, эффективно защищающих от

действия гамма-квантов.

2. Эффекты в материалах ЭРИ от излучения ядерного взрыва

В материалах полупроводниковых и прочих ЭРИ возникают эффекты

смещения, ионизации, переноса заряда, тепловые и прочие, представлен-

ные на рис. 10.35.

Эффекты смещения представляют собой перемещение атомов из сво-

его нормального положения в кристаллической решетке материала.

Эти перемещения сопровождаются возникновением структурных де-

фектов кристаллической решетки, к простейшим из них относят свободные

положения в решетке «вакансии» и дополнительные атомы между ее узла-

ми (межузельные внедрения).

В электронных узлах эффекты смещения влияют в основном на

работу

полупроводниковых приборов, поскольку приводят к существенному из-

менению времени жизни неосновных носителей; их концентрации и под-

вижности, зависящих от уровня излучения. Изменения параметров ППП

зависят от плотности потока нейтронов, а длительность процесса восста-

новления в основном от свойств материалов и режима работы ЭРИ. Крат-

ковременные изменения параметров из-за импульса

нейтронов могут при-

вести к полной потере работоспособности аппаратуры на период их време-

ни восстановления.

Эффекты переноса заряда обусловлены передачей кинетической энер-

гии ИИ вторичным частицам и проявляются в виде неустановившихся то-

ков, а также захваченного диэлектриком заряда.

При движении вторичных заряженных частиц (например, комптонов-

ских электронов, возникающих под действием фотонов высоких энергий

или протонов отдачи, возникающих при взаимодействии нейтронов с во-

дородосодержащими веществами) создаются электрические и

магнитные